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Energy Harvesting

Aus mehreren Quellen versorgt

4. Juni 2019, 15:30 Uhr | Sally Safwat Amin, Patrick P. Mercier, UC San Diego, La Jolla

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Messungen am MISIMO-Wandler

Der MISIMO-Chip ist 0,5 mm² groß und wurde in einer 28-nm-FDSOI-Technologie bei STMicroelectronics implementiert. Messungen zeigen einen maximalen Wirkungsgrad von 89 % und einen Wirkungsgrad von 75 % über alle Lasten und über einen Dynamikbereich von 1:60.000 (1 μW bis 60 mW) in L3 bei 1 V (Bild 4, oben links). Dies ist zum einen der ereignisgesteuerten dynamischen Regelung von t_{ϕ_Hi}, t_{ϕ_BAT} und f_{SW_Hi} zu verdanken, die den Wirkungsgrad bei niedriger Last um bis zu 34 % verbessern (Bild 4, oben rechts). Zum anderen liegt dies an der dynamischen Switch-Size-Modulation bei 1 V bzw. 0,6 V, die den Wirkungsgrad um 17 % bis 24 % verbessert (Bild 4, unten).

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Dynamische Messungen zeigen, dass der Chip drei unabhängige Lasten bei unterschiedlichen Spannungen mit dynamischer Einschaltdauer und PFM effektiv regeln kann – auch während der Anlaufphase (Bild 5, oben links) oder während eines Lastsprungs (Bild 5, oben rechts), alle mit vernachlässigbarem Spannungseinbruch und einer Restwelligkeit von unter 30 mV. Die gemessenen Lastsprünge (Bild 5, unten links) und Sprünge bei den Harvesting-Quellen (Bild 5, unten rechts) zeigen, dass der MISIMO-Chip mehrere Eingangsquellen (maximal 15 mV Welligkeit für MPPT-Zwecke) und mehrere Ausgangslasten mit einer Topologie gleichzeitig mit nur einer einzigen Induktivität ohne Cross-Regulation-Fehler regeln kann.

Parameter	Bandyopadhyay [1]	Chew [3]	Shrivastava [4]	Chen [ISSCC 2015]	Lu [ISSCC 2016]	Chowdary [2]	Amin [5]
Prozesstechnik	0,35 µm	0,18 µm	0,13 µm	0,5 µm	0,35 µm	0,18 µm	28 nm
Zahl der Eingänge	3 + Akku	1 + Akku	1 + Akku	1 + Akku	1 + Akku	3 + SuperCap	3 + Akku
Zahl der Ausgänge	1 + Akku	2 + Akku	3 + Akku	1 + Akku	1 + Akku	1 + SuperCap	3 + Akku
Wandlerarchitektur	zweistufiger Buck/Boost mit einer Ind.	einstufiger Buck/Boost mit einer Ind.	zweistufiger Buck/Boost mit einer Ind.	einstufiger Buck/Boost mit einer Ind.	einstufiger Buck/Boost mit einer Ind.	zweistufiger Buck/Boost mit einer Ind.	einstufiger Buck/Boost mit einer Ind.
Energiequellen (Eingangsspannung)	PV (0,15 V – 0,75 V); Piezo (1,5 V – 5,0 V); TEG (0,02 V – 0,16 V); Akku (3,3 V)	PV (2,6 V); Akku (3 V)	PV (0,38 V – 3,3 V); Akku (<5 V)	PV (3,6 V); Akku (4 V)	PV (0,03 V – 3,6 V); Akku (<3,6 V)	PV; Piezo, HF	PV (0,2 V – 1,0 V); TEG (0,1 V – 0,4 V); BFC (0,2 V – 0,5 V); Akku (1,8 V)
Lastregelmechanismus	PFM	PFM	PFM, Spitzenstromregelung	PFM	PFM	PFM
MPPT-Mechanismus	adaptive tON, feste fSW	konstante tON, variierende fSW	konstante tON, variierende fSW	konstante tON, variierende fSW	N. R.	konstanter iPK, variierende fSW	adaptive tON, adaptive fSW
Induktivität	22 µH	10 µH	20 µH	4,7 µH	22 µH	47 µH	10 µH
Lastkapazität C	15 µF	10 µF	8 µF	4,7 µF	4,7 µF	10 µF	1 µF
Chipgröße	~15 mm²	4,62 mm²	2,25 mm²	0,5 mm²	4 mm²	1,1 mm²	0,5 mm²
Ausgangsspannung	1,8 V	1,0 V; 1,8 V	1,2 V; 1,5 V; 3,3 V	1 V – 3,3 V	3,6 V	1,2 V – 1,8 V	0,4 V – 1,4 V
Ruhestrom bzw. Leerlaufleistung	2,7 µA bei VDD = 1,8 V	0,4 µA bei VDD = 1 V	1,2 µW	1 µA bei VDD = 4 V	200 nA	18 nA	262 nA bei VDD = 1 V
Ausgangsleistung	9 µW – 540 µW	1 µW – 10 mW	<100 mW	1 µW – 15 mW	N. R.	60 nW – 40 µW‡	1 µW – 60 mW
Dynamikber. f. η >70 %	60 x	10.000 x	16.500 x‡	15.000 x	N. R.	667 x‡	60.000 x
maximaler Wirkungsgrad	90 %	83 %	92 %	93 %	85 %	87 %	89 %

Tabelle: N. R. = Not Reported; ‡: aus den Diagrammen heraus geschätzt.

Zu verdanken ist der Topologie, mit der sich die Ladung in der Spule dynamisch zurück in den Akku speisen lässt. Eine vergleichende Tabelle mit früheren Arbeiten zeigt, dass der MISIMO-Chip die erste Lösung ist, die sowohl ein Energy-Harvesting mit MPPT aus mehreren Quellen als auch die Regelung mehrerer Ausgänge mit nur einer Induktivität durchführt. Gleichzeitig erreicht diese Lösung den größten Dynamikbereich unter den bisherigen Multi-Input-Energy-Harvestern, und das alles auf einer recht kleinen Chipfläche und mit wettbewerbsfähigem Wirkungsgrad.

Dieser Artikel basiert auf einem Paper aus dem Tagungsband der ISSCC 2018.

REFERENZEN

[1] S. Bandyopadhyay, and A. Chandrakasan, Platform Architecture for Solar, Thermal, and Vibration Energy Combining with MPPT and Single Inductor, IEEE JSSC, vol. 47, no. 9, pp. 2199-2215, Sept. 2012.

[2] G. Chowdary, et al., An 18 nA, 87% Efficient Solar, Vibration and RF Energy-Harvesting Power Management System with a Single Shared Inductor, IEEE JSSC, vol. 51, no. 10, pp. 2501-2513, Oct. 2016.

[3] K. Chew, et al., A 400nW Single-Inductor Dual-Input-Tri-Output DC-DC Buck-Boost Converter with Maximum Power Point Tracking for Indoor Photovoltaic Energy-Harvesting, ISSCC, pp. 68-90, Feb. 2013.

[4] A. Shrivastava, et al., A 1.2μW SIMO energy harvesting and power management unit with constant peak inductor current control achieving 83–92% efficiency across wide input and output voltages, IEEE Symp. VLSI Circuits, pp. 1-2, June 2014.

[5] S. Safwat Amin, and P. Mercier, MISIMO: A Multi-Input Single-Inductor Multi-Output Energy Harvester Employing Event-Driven MPPT Control to Achieve 89% Peak Efficiency and a 60,000× Dynamic Range in 28nm FDSOI, IEEE ISSCC, pp. 144-146, Feb. 2018